SJ状态方程预测流体转换曲线的比较*

郑光霞，黄承相，莫蔓婷，吴 霓，刘天梅，陈 漓

(百色学院 材料科学与工程学院，广西 百色 533000)

1 引言

焦耳-汤姆逊(JT)效应在制冷和气体液化过程中具有相当重要的意义。在适当的条件下，流体的绝热节流将导致其温度下降。为使流体达到节流制冷的效果，流体的热力学状态必须位于由转换曲线限定的区域中。JT系数为零的点满足下列的热力学关系式[2]。

(1)

如果以温度-压强关系坐标表示，JT转换曲线大约呈抛物线状。从JT系数来理解转换曲线对JT效应冷却过程的设计和运行具有重要的指导意义。然而直接测量转换点既麻烦又不可靠，这是因为在转换点附近压强的微小变化也会产生温差，只有通过极其精确的测量才能检测到。一般来说，通过热力学关系和状态方程来计算JT效应的转换点比较方便。

(2)

JT系数对温度和压强的微小偏差很敏感。为此，利用转换曲线来检验状态方程的适用性有重要的意义。

JT系数系数等于零的点是转换点，由众多的转换点可构成转换曲线。转换曲线划定了JT系数为正的区间和负的区间；因此，它是输运和分离过程的一个重要参数。此外不少的文献常常利用JT系数和转换曲线作为对状态方程的一种检验方式，提高状态方程对物质热力学性质的预测能力。

根据转换曲线中JT系数等于零的原理，对于描述流体的状态方程，可以从方程(2)中导出以下的式子。

2 状态方程描述转换曲线

Dilay GW,Heidemann RA[3](1986)，计算了Soave-Redlich-Kwong、Peng-Robinson和Lee-Kesler状态方程的转换曲线。本文采用SJ多参数状态方程来预测一些流体的转换曲线。SJ状态方程一般有如下表示：

其参数一般按下列关系式运算。

由SJ状态方程中分别计算氮、二氧化碳、甲烷、乙烷和丙烷的JT转换曲线如下图1-图5所示，并与文献值以及SRK方程[3]、RK方程[4]和vdW方程[5]计算结果相比较(表1)。

图1 氮的JT转换曲线

图2 CO2的JT转换曲线。

图3 甲烷的JT转换曲线。

图4 乙烷的JT转换曲线。

图5 丙烷的JT转换曲线

表1 几种流体的最大转换压强ρmax，相对应转换温度T和最大转换温度Tmax

表1(续)

文献值以及每种流体偏心因子和临界状态参数的数值取自参考文献[6]

表1计算并给出了这四个方程的最大转换压强ρmax，相应的转换温度T和最大转换温度 。

3 结论

状态方程描述氮、二氧化碳、甲烷、乙烷和丙烷的JT转换曲线在低温区与文献值有较好地吻合。而在高温区预测的能力有些差强人意，SRK方程预测高温区的数值往往偏小，其他三个方程(SJ方程、RK方程、vdW方程)J预测的数值比文献值要大些，其中vdW方程偏差最大。